高低高結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)分析

崔麗麗　韓旭東

摘 要：隨著電力行業(yè)的飛速發(fā)展，500kV電力變壓器的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，發(fā)電機(jī)變壓器的單臺(tái)容量也越來(lái)越大，材料消耗也隨之上升，如何在保證可靠性的前提下降低成本，成為保證各廠經(jīng)濟(jì)效益的前提。文章以電力變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)理論為依據(jù)，描述了高低高結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)

關(guān)鍵詞：高低高結(jié)構(gòu)；發(fā)電機(jī)變壓器；主絕緣

1 概述

目前我公司設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)變壓器在保證運(yùn)輸條件的前提下，優(yōu)先采用高低高結(jié)構(gòu)。以一臺(tái)單相24萬(wàn)、阻抗為15%的變壓器為例，高低高結(jié)構(gòu)要比雙柱結(jié)構(gòu)器身輕約8噸左右，可見(jiàn)高低高結(jié)構(gòu)在大容量和大阻抗變壓器下的優(yōu)勢(shì)。

調(diào)查表明，變壓器在運(yùn)行中由于絕緣部件發(fā)生故障造成變壓器失效占總失效數(shù)的一半左右，絕緣性能的良好對(duì)運(yùn)行可靠性具有決定性意義，以電力變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)理論為基礎(chǔ)，并以DFP-380000/500單相發(fā)電機(jī)變壓器為例，對(duì)高低結(jié)構(gòu)變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，并進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

2 電力變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)

目前，油浸式電力變壓器的主絕緣采用油-隔板結(jié)構(gòu)形式，主絕緣結(jié)構(gòu)中的油隙靠紙筒來(lái)間隔。油的耐電強(qiáng)度在理論上是很高的，純凈的油的耐電強(qiáng)度高達(dá)4000kV/cm以上，標(biāo)準(zhǔn)油杯中擊穿電壓一般為40kV/2.5mm。1.0mm紙板的擊穿強(qiáng)度為46-50kV/mm，1.5mm紙板的擊穿強(qiáng)度為32-45kV/mm，2.0mm紙板的擊穿強(qiáng)度為29-35kV/mm。

線圈間的絕緣結(jié)構(gòu)采用薄紙筒小油隙結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)紙筒厚度為4mm及以下，油隙寬度小于15mm及以下。主絕緣的擊穿先發(fā)生在油隙中的，而油隙一旦擊穿，紙筒也就隨著擊穿，因此并不要求紙筒能承受住全部試驗(yàn)電壓。此外，在電場(chǎng)較均勻的情況下，根據(jù)變壓器油的體積效應(yīng)，油隙耐電強(qiáng)度隨油隙的減小而增大，因此在同一主絕緣距離，同一紙筒占絕緣距離百分?jǐn)?shù)情況下，油隙分割越小，則耐電強(qiáng)度越高。由于紙筒只起到分割油隙的作用，所以不宜太厚，但由于機(jī)械強(qiáng)度的要求，紙筒也不能太薄。

在薄紙筒小油隙結(jié)構(gòu)中，紙筒的總厚度一般占主絕緣的1/5左右。每個(gè)紙筒的厚度取決于機(jī)械強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，最小為1.5mm，靠近線圈的紙筒為3mm，由2張1.5mm厚的紙板組成。緊靠線圈內(nèi)徑側(cè)的紙筒由5mm以上的硬紙板滾壓而成，紙板先在兩端磨成斜梢，然后沿斜梢粘合成紙筒，線圈直接繞在紙筒上。

薄紙筒小油隙結(jié)構(gòu)的最小擊穿電壓按下式計(jì)算：

式中：？撞dy-油間隙的間隙；？撞dz-所有紙筒厚度的綜合，包括電極絕緣；？著y-油的介電系數(shù)，取為2.2；？著z-油浸紙板的介電系數(shù)，取為4.5；Ey-緊靠線圈表面油隙的實(shí)際允許場(chǎng)強(qiáng)。

通常與線圈表面相鄰油道中的場(chǎng)強(qiáng)較高，為提高此處電氣強(qiáng)度，宜將此油道取得窄些。油的電氣強(qiáng)度還與處在高場(chǎng)強(qiáng)下油的體積有關(guān)，如將處在90～100%最大場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)的油體積稱(chēng)作“強(qiáng)油體積”，則不管電極形狀是否相同，油的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb與強(qiáng)油體積V的關(guān)系不變。由此可知，油道分得越窄，各處的強(qiáng)油體積減小，電氣強(qiáng)度可明顯提高。但若油道過(guò)小，必然影響變壓器的散熱，所以最小油隙的大小由溫升決定。

變壓器線圈端部由于油-隔板組成的絕緣結(jié)構(gòu)被破壞，主要是由于電極附近的最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到或超過(guò)了油間隙起始放電場(chǎng)強(qiáng)，開(kāi)始出現(xiàn)局部放電，并由此而引起電場(chǎng)畸變，進(jìn)而形成沿面放電所致。

設(shè)計(jì)合理的靜電環(huán)，除了改善與其相鄰各線段的沖擊電壓分布外，還能使端部電場(chǎng)均勻。由于油-隔板組成的絕緣結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)出現(xiàn)在油隙中，其中負(fù)擔(dān)最重的油隙的耐電強(qiáng)度決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)的耐電強(qiáng)度。因?yàn)樽畲髨?chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)于靜電環(huán)絕緣層表面的油隙中，所以端部絕緣的耐電強(qiáng)度通常由靜電環(huán)與其靠近的第一個(gè)角環(huán)之間的第一油隙所決定。

角環(huán)的設(shè)置原則是作用在所有油隙上的最大場(chǎng)強(qiáng)值應(yīng)小于這些油隙的許用場(chǎng)強(qiáng)。薄紙筒小油隙是目前布置角環(huán)的一個(gè)基本準(zhǔn)則。研究表明，角環(huán)的數(shù)目增多，在沖擊電壓作用下，其沿面放電電壓有所提高，但局部放電起始電壓幾乎不變。為防止沿面放電，最理想的角環(huán)形狀應(yīng)與端部等電位面相重合。

3 高低高結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)

以DFP-380000/500為例描述高低高結(jié)構(gòu)變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)，高低線圈間采用薄紙筒小油隙結(jié)構(gòu)，主距已100mm為例，具體分割時(shí)要保證紙筒的厚度均≤4mm，油隙≤14mm，因?yàn)榫€圈表面相鄰油道中的場(chǎng)強(qiáng)較高，所以油道的數(shù)值比較小，一般為9mm。

而要想分析線圈端部的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，先要了解高低高結(jié)構(gòu)的接線原理圖和各點(diǎn)處繞組的絕緣水平，此臺(tái)產(chǎn)品繞組的絕緣水平為：SI1175LI1550AC680-LI325AC140/LI200AC85，從圖1中標(biāo)示出各點(diǎn)的絕緣水平，但連線處的電位需要進(jìn)行計(jì)算。高壓Ⅰ匝數(shù)為635匝，高壓Ⅱ匝數(shù)147匝，中性點(diǎn)支撐為40kV，工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)電壓分布為線性。

可見(jiàn)在工頻下U連處的電位約為110kV等級(jí)，但在沖擊電壓下，低壓入波時(shí)，U連處的振蕩電位依據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可以達(dá)到1.5倍左右，所以高壓Ⅱ下部的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要加強(qiáng)，圖1中表示了高壓Ⅱ下部角環(huán)和靜電環(huán)的布置，因?yàn)樽畲髨?chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)于靜電環(huán)絕緣層表面的油隙中，將第一個(gè)角環(huán)與靜電環(huán)之間的油隙盡量縮小，但為了不影響散熱，最終經(jīng)過(guò)驗(yàn)證取6mm。但由于線圈出頭處的角環(huán)被破壞，為保證連線到鐵心的爬電距離，角環(huán)在出頭處增加一個(gè)“靴子”，“靴子”的長(zhǎng)短依據(jù)爬電距離確定。

4 結(jié)束語(yǔ)

DFP-380000/500發(fā)電機(jī)變壓器主絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了各種過(guò)電壓作用，并保證有足夠的裕度，目前對(duì)連線處電位振蕩的幅度還有待深入研究，可以進(jìn)一步優(yōu)化高壓Ⅱ下部的端絕緣設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]路長(zhǎng)柏.電力變壓器計(jì)算[M].哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1990.6.

[2]崔立君.特種變壓器理論與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1996.5.

作者簡(jiǎn)介：崔麗麗（1982-），女，遼寧沈陽(yáng)人，特變電工沈陽(yáng)變壓器集團(tuán)有限公司交流產(chǎn)品設(shè)計(jì)部主管，工程師，從事變壓器類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)工作。